专利名称：一种基于实心微结构光纤的偏振器件及其制备装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于光纤偏振器件技术领域，涉及一种基于实心微结构光纤的偏振器 件及其制备装置。
背景技术：
随着光纤通信和光纤传感技术的迅猛发展，光的偏振态对系统及元器件显得越发 重要。光纤偏振器件作为偏振器件的一个重要分支，发挥着独特的作用。由于光纤偏振器 体积小、重量轻、插入损耗低、消光比高，与光纤系统的兼容性强，因而倍受青睐。光纤偏振 器应用广泛，在光隔离器、光环行器、光开关和光调制器等无源器件中大量使用；在光器件 测试系统中，光纤偏振器与其他器件配合可以获得稳定灵活的测试条件，实现对器件的多 参数检测；在光纤系统中，光纤偏振器是产生线偏振光的关键器件；在以偏振或者相位为 主要检测特征的光纤系统，光纤偏振器是重要无源器件，如光纤陀螺、光纤电流传感器、光 纤水听传感以及相干光通信系统等。金属包层光纤偏振器件是将光纤嵌在一变曲率半径的槽中研磨，将光纤磨抛到纤 芯附近，再镀上介质_金属复合膜层。当光波到达此复合膜区时，在介质_金属界面上产生 的表面等离体波将光纤内一个偏振模耦合损耗掉。另一偏振模不能激发表面等离子体波， 可几乎无损耗地通过此区域，从而实现起偏功能。这种光纤偏振器消光比可以达到35dB以 上、插入损耗低于0. 5dB、温度稳定性较好、易于实现小型化；但是制作工艺复杂，在小批量 生产时消光比只能保证30dB。环形线圈光纤偏振器是利用了卷绕的保偏光纤对不同偏振模式具有不同的弯曲 损耗制成的。在确定好所需保偏光纤长度和曲率半径后，将光纤均勻卷绕在一个特定曲率 半径的线圈骨架上。线圈光纤偏振器尺寸较大，通常骨架的半径要IOcm左右，缠绕的光纤 长度达几米长。此类偏振器制作简单，消光比通常可以达到30dB，但整个器件的插入损耗较 大，达3dB。由于保偏光纤的双折射特性会随温度发生微小变化，线圈光纤偏振器使用的保 偏光纤又较长，因此器件温度稳定性不好。微孔光纤偏振器是在一段D形微孔光纤的微孔中注入金属而构成的。在光纤的包 层中靠近纤芯处做出一个D形微孔，微孔通常距离纤芯几个微米，当在微孔内注入某种金 属后，大的结构非对称性导致光偏振状态发生变化，成为衰减型光纤偏振器。一根长约40cm 的微孔光纤偏振器的消光比可达40dB，但插入损耗也比较大，高达2. 5dB。晶体包层光纤偏振器同样需要将光纤研磨，磨抛到纤芯附近成D型光纤后，粘贴 (或覆盖生长)上双折射晶片。利用双折射晶片对光波的两个正交偏振分量具有不同的折 射率，将其中一个偏振分量泄漏掉，另一个偏振分量保持在纤芯中，达到起偏的目的。这种 类型的光纤偏振器件消光比高，插入损耗较小，但制作工艺复杂，对使用的双折射晶片性能 要求比较高。基于空芯光子带隙光纤偏振器件使用二氧化碳激光器微加工技术，在空芯光子带 隙光纤一侧照射形成包层空气孔塌陷。利用包层空气孔塌陷形成包层折射率分布不对称，纤芯中的能量很容易在空气孔塌陷方向上产生泄漏，使两个偏振模式的传输损耗差别加 大，最终实现起偏功能。这种类型的偏振器件消光比高，制作方法简单。但是空芯光子带隙 光纤价格昂贵，导致此类偏振器件价格较高。此外，由于空芯光子带隙光纤与普通光纤熔接 端面存在菲涅尔反射，会影响系统的稳定性；且两种光纤熔接存在较大损耗，目前没有一个 较好的解决方法。并且由于带隙效应，此类偏振器件通常只能对一定波长范围内(带隙范 围内)的光起到偏振作用。以上这些问题大大影响此类器件的实际应用。在综上所述的研究中，现有的光纤偏振器件在性能和制作方法上各有特点，但是 都存在各自的缺点。其中尺寸小、消光比高、插入损耗低的金属包层光纤偏振器及晶体包层 光纤偏振器的制作工艺都比较复杂。线圈光纤偏振器和微孔光纤偏振器尺寸较大，插入损 耗相对比较高，但制作工艺较简单。基于空芯光子带隙光纤偏振器件制作简便、消光比高， 但是价格昂贵而且与普通光纤熔接损耗大。基于光纤偏振器件的广阔应用及对新型光纤偏 振器件的迫切需求，本实用新型利用实心微结构光纤结合先进的二氧化碳微加工技术，提 出了一种价格合理、制作方便和性能稳定的新型光纤偏振器件。
发明内容本实用新型的目的就是克服现有偏振器件制作工艺复杂、尺寸大、价格昂贵等问 题，提供了一种基于实心微结构光纤的偏振器件，同时提供了其制备装置。一种基于实心微结构光纤的偏振器件，使用二氧化碳激光器在光纤一侧照射形成 塌陷区域，其特征在于所述光纤为实心微结构光纤；所述塌陷区域深度为16 μ m 25 μ m。被二氧化碳激光器照射的实心微结构光纤的长度为5cm 7cm。基于实心微结构光纤的偏振器件的制备装置包括实心微结构光纤、计算机、二氧 化碳激光器、可调谐激光、光纤夹具、偏振损耗分析仪。实心微结构光纤两端由光纤夹具固定，一端与可调谐激光器光连接，另一端与偏 振损耗分析仪光连接。计算机连接二氧化碳激光器，二氧化碳激光器位于实心微结构光纤 垂直正上方。本实用新型所具有的优点为(1)利用先进的二氧化碳激光器微加工技术在实心 微结构光纤侧面刻写微型变，制作出尺寸小、性能高的光纤偏振器。(2)实心微结构光纤价 格低于空芯光子带隙光纤，所以本实用新型在价格上占有优势。(3)与空芯光子带隙光纤 相比，实心微结构光纤比较容易与普通光纤的连接，大大减小了连接损耗。(4)利用计算机 编程控制可以实现激光在实心微结构光纤侧面的扫描刻写；通过在线监控偏振器的制作过 程，得到高性能光纤偏振器。与传统光纤偏振器件相比，制作过程更为简化、制作工艺更为 精准。
图1为本实用新型的偏振器件结构示意图；图2为本实用新型的制备装置图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型进一步描述。
4[0018]取5cm 7cm长的实心微结构光纤1 (本实施例取6cm)，然后使用二氧化碳激光器 4在实心微结构光纤1侧面照射，包层一侧部分空气孔发生塌陷或形变，导致实心微结构光 纤一侧产生塌陷区域2 (本实施例塌陷区域深度为20 μ m)。图1所示为本实用新型的偏振 器件结构示意图。如图2所示，一种基于实心微结构光纤的偏振器件的制备装置包括实心微结构 光纤1、计算机3、二氧化碳激光器4、可调谐激光5、光纤夹具6、偏振损耗分析仪7。实心微结构光纤1两端由光纤夹具6固定，一端与二氧化碳激光器4光连接，另一 端与偏振损耗分析仪7光连接。计算机3连接二氧化碳激光器4，二氧化碳激光器4位于实 心微结构光纤1垂直正上方。本实用新型实现起偏功能的关键技术为实心微结构光纤是一种新型光纤，纤芯 由纯石英构成，包层中分布着沿径向周期性排列、沿光纤轴向伸展的波长量级的空气孔。当 二氧化碳激光器释放出足够能量从实心微结构光纤一侧进行多次扫描照射时，石英材料吸 收二氧化碳激光能量后熔化，导致照射侧的包层空气孔塌陷或形变。通过调节二氧化碳激 光器的有效步间延时和Q释放时间可以改变单次照射二氧化碳激光器释放的能量；同时通 过调节二氧化碳激光器照射次数可以控制光纤一侧塌陷深度。使用二氧化碳激光器照射在实心微结构光纤一侧产生塌陷(本实施例塌陷区域 深度为20 μ m)，形成大的结构不对称。包层折射率分布不对称不仅导致光纤高双折射效应 出现，使两个正交偏振模式产生大的有效折射率差；而且由于空气孔塌陷，纤芯中的能量很 容易在此方向上产生泄漏，使两个偏振模式的传输损耗差别加大。当光在此结构中传输一 段距离后(在实施例中选用6cm长的光子晶体光纤)，一个偏振模式将完全损耗掉，因而实 现了起偏功能。表1.本实施例偏振器件在对应波长PDL变化
波长(nm)1200130014001500160017001800PDL(dB/mm)0. 6420. 8061. 0071. 2471. 5311. 8672. 268 使用全矢量有限元分析法，可以从理论上模拟光在实心微结构光纤的偏振器件 中的传输情况。在实施例中所使用的实心微结构光纤具体参数光纤直径为125μπι，空气 孔间距为5. 61 μ m,空气孔直径为4 μ m，共五层空气孔。实心微结构光纤一侧产生塌陷区 域的深度为20 μ m。表1表示理论计算所得的在不同波长时，偏振相关损耗(polarizer dependence loss, PDL)的大小。由表1的结果可得，在波长为1200nm-1800nm的范围内， 长6cm的基于实心微结构光纤的偏振器件即可获得大于35dB的消光比，实现较好的偏振效
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权利要求一种基于实心微结构光纤的偏振器件，使用二氧化碳激光器在光纤一侧照射形成塌陷区域，其特征在于所述光纤为实心微结构光纤；所述塌陷区域深度为16μm～25μm。被二氧化碳激光器照射的实心微结构光纤的长度为5cm～7cm。
2.权利要求1所述的基于实心微结构光纤的偏振器件的制备装置包括实心微结构光 纤、计算机、二氧化碳激光器、可调谐激光、光纤夹具、偏振损耗分析仪；其特征在于实心微结构光纤两端由光纤夹具固定，一端与可调谐激光器光连接，另一 端与偏振损耗分析仪光连接；计算机连接二氧化碳激光器，二氧化碳激光器位于实心微结 构光纤垂直正上方。
专利摘要本实用新型涉及一种基于实心微结构光纤的偏振器件，同时提供了其制备装置。现有技术无法解决偏振器件制作工艺复杂、尺寸大、价格昂贵等问题。一种基于实心微结构光纤的偏振器件，使用二氧化碳激光器在光纤一侧照射形成塌陷区域，其特征在于所述光纤为实心微结构光纤；所述塌陷区域深度为16μm～25μm。被二氧化碳激光器照射的实心微结构光纤的长度为5cm～7cm。基于实心微结构光纤的偏振器件的制备装置包括实心微结构光纤、计算机、二氧化碳激光器、可调谐激光、光纤夹具、偏振损耗分析仪。本实用新型的光纤偏振器件尺寸小、消光比高、性能稳定；同时制作简便、成本较低。
文档编号G02B6/02GK201740880SQ20102021176
公开日2011年2月9日 申请日期2010年6月2日 优先权日2010年6月2日
发明者董新永, 赵春柳, 钱文文 申请人:中国计量学院